喀拉喀什河建桥河段防洪堤设计分析

李 亮

（塔里木河流域干流管理局,新疆 库尔勒 841000）

为不断完善流域防洪工程体系,强化工程河道防洪措施,战胜大江大河大湖严重洪涝灾害,保障群众和河道安全[1]。通过综合采取“拦、分、蓄、滞、排”措施,大江大河基本形成河道及堤防、水库、蓄滞洪区为主要组成的流域防洪工程体系,基本具备防御实际发生的最大洪水能力,在保障人民群众生命财产和重大基础设施安全方面发挥了重要作用[2]。通过综合运用工程和非工程措施,成功战胜了多次大洪水。据文献记载[3],近十年我国洪涝灾害年均损失率由0.57%下降到0.31%,有力保障了人民群众生命财产安全和供水安全、粮食安全,保障了经济社会稳定运行。

1 工程概况

喀拉喀什河发源于喀喇昆仑山北坡开拉斯山,河长29.8 km。跨河K54+500 大桥地理位置起点坐标东经79°53′39.61′,北纬37°27′7.23′,终点坐标东经79°53′14.53′,北纬37°27′18.67′,桥长787 m,桥梁设计汽车荷载采用一级公路标准建设,结构类型为26 m×30 m 装配式预应力混凝土小箱梁,设计洪水频率标准100年一遇。工程位于墨玉县英也尔乡玉依买库勒境内,47 团至国道580 公路在K23+556.5～K24+343.5 段跨喀拉喀什河后经玉龙喀什河特大桥及公路连接国道580,拟建工程将解决隔河相望、车辆绕道通行的现状问题,改善两河四岸三县人民交通往来,打通47团对外交通首要出口公路和干线公路,极大促进地区经济发展。

2 河道防洪堤设计

2.1 防洪堤布置

由于建设标准高,对应洪峰流量大,兴建大桥后,跨河大桥处上下游左右河道两岸土堤不能抵御洪水能力不满足要求,因此,实施如下工程防治措施：①跨河大桥断面河道两岸整治方案采用防洪堤坝,其中上游左右岸防洪堤坝长均为200 m,采用C20 现浇砼衬砌护坡；下游左右防洪堤坝长均为150 m,采用为C20 现浇砼衬砌护坡。②根据流域防洪规划的要求,堤线应与河势流向相适应,结合河道整治宽度,并兼顾现有防洪工程位置及河岸稳定情况进行布置,大桥工程位于桩号K54+500 河段,河槽宽度大,主流左右摆动而且汉流多,河床总宽度在300 m～800 m,而计算的稳定河槽宽度为275 m,两岸河段基本没有永久性防洪工程,因此,直线河段沿自然河岸布置,在弯曲河段,根据河道的自然趋势裁弯取直,防止河道左右摆动。③本次防洪堤岸段河道自西南向东北流向,河道相对顺直,左岸堤线上游规划指导线向河岸滩地偏移80 m 左右,左岸下游段,右岸上下游段与现有堤线基本一致,左右岸基本平行布置,控制河床宽度在500 m。

2.2 设计断面及参数

（1）断面选取：大桥中心桩号对应河道桩号为K23+950。本次选取计算特大桥上游K54+300～K54+500 段河道及下游K54+500～K54+650 段河道。计算断面为K54+300、K54+500、K54+650。

（2）设计洪峰流量：建设跨河大桥前河道段不属于重点防洪段, 设计防洪标准为10年一遇, 对应洪峰流量为295 m3/s。建设特大桥后,设计汽车荷载为公路Ⅰ级的大桥,保护对象为特大桥,该段列入河道的重点防洪段范围[4],设计洪水频率标准为100年一遇,对应洪峰流量为1430 m3/s。

（3）设计水面线：实测河道54+300、54+500、54+650处断面,依据防洪规划报告成果,糙率n 取0.03,河道纵坡0.000725。河道各断面计算水面高程成果表见表1。

表1 河道各断面计算水面高程成果表

（4）设计洪水位的确定：通过以上各断面计算水面高程所得结果,绘制河道计算洪水位线,在此洪水位线基础上,得出设计水面线纵坡。设计水面高程计算表见表2。

表2 设计水面高程计算表

（5）堤顶高程：堤顶高程为设计水面线加上堤顶超高。基于以上计算成果,确定堤顶高程,结果见表3。

表3 堤顶高程计算结果表

2.3 设计计算分析

2.3.1 冲刷深度计算

（1）冲刷深度计算

按照《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）公式进行计算[5]：考虑到由于河床主流摆动可能,故顺堤冲刷深度选取水流平行岸坡与斜冲防护岸坡两种情况进行相应地计算分析。

当水流平行岸坡时,按下式计算：

式中：hB为从水面算起的局部冲刷深度,m；hP为冲刷位置的水深,m；VCP为平均流速,m/s；V允为河床面上允许不冲流速,V允=1.3 m/s；n 为系数,一般取n=1/4。

计算结果见表4。

表4 水流平行于岸坡冲刷深度计算

（2）水流斜冲岸坡

式中：Δ hP为以河底为基底的局部冲深,m；为水流流向和岸坡交角,（°）；m 为建筑物迎水面边坡系数；d 为坡脚河床砂粒径,cm；Vj为水流局部冲刷流速,m/s。

将以上数据代入上式,所得结果见表5。

表5 水流斜冲岸坡冲刷深度计算结果表

综合以上计算结果,由于经过实地选取不同坝段测量冲刷坑深度为4.19 m～4.42 m,计算预先留设1 m～1.5 m 的安全加深,同时考虑下游已建防洪堤的基础埋深为5.5 m。综合分析,本工程在河床平均底高程以下的冲刷深度取5.5 m。

2.3.2 横断面设计

根据上述冲刷深度计算结果,工程河段横断面采用结构形式如下：堤身迎水面衬砌材料及堤基斜插板均为C20 现浇砼,边坡系数为1∶1.75,背水面边坡系数为1∶1.5,防洪堤坝堤身高3.6 m,基础深5.5 m,堤身迎水面C20 现浇砼护坡设计水面线以上部分衬砌厚度为15 cm,砼板下部砂砾石垫层厚30 cm,设计水面线及基础衬砌厚度为20 cm,砼板下部砂砾石垫层厚30 cm,砼护坡板坡脚下为C20 砼基础墙,基础墙上顶宽100 cm,下底宽112 cm,高100 cm；砼基础墙前5.5 m 范围格宾砾石笼防护。边坡垂直水流方向每2.5 m 分一道缝,顺水流方向每3.05 m 分一道缝,上下板错缝。缝宽2 cm,采用上部采用单组份聚氨酯厚2 cm,下部为高压闭孔板填缝。防洪堤每50 m 沿护坡设一道隔墙,宽50 cm,深80 cm。护坡与隔墙接触面、护坡与阻滑墙接触面采用高压闭孔板填填缝。

2.3.3 设计管理措施讨论

此大桥为跨河工程,依据大桥工程等级,工程河段为重点管理河段,与现有河段管理要求不一致。基于此,参考类似工程实际案例,工程设计重点采取如下管理措施[6-10]：①涉河工程依据水利行业有关管理要求,项目前期,向水利主管部门上报建设方案,并编制防洪影响评价报告,施工至竣工验收应严格遵循河道管理部门的规章制度,项目施工前按照河道管理部门的管理要求支付工程保证金,验收必须通过水利主管部门验收,并报备河道管理部门。②在桥梁桥墩施工期间,施工单位应获得当地水利主管部门的允许方可动工,施工单位应编写防洪预案报当地水利主管部门批准。施工期内桥梁建设部门应与当地水利部门密切配合,严格按照制定的防洪方案进行施工,及时按照当地水利部门通知的水情情况,做好施工防洪工作。③桥梁在汛期施工时,施工单位要提前编制汛期施工组织设计,并报河道主管部门批准,方可进行施工,施工时应密切注意天气变化,并与河道主管部门保持联系,搞好协作,以避免恶性事故的发生。④桥梁建设初期应及时做好水土保持工作,对可能造成的水土保持方面的影响做出预测和评估；对施工区域内施工材料、设备的存放等事项应事先做好施工组织设计,以防影响环境和工程进度,避免出现意外事故造成重大损失。切实做好水土保持工作,防止桥梁建设过程中对河道的破坏。加强施工期间的水土保持防治管理,禁止参建单位将弃土弃渣排入河道和沟道。⑤在桥梁建成并投入使用时,应有必要的监测系统,定期对特大桥桥桩以及两岸防洪工程冲刷进行监测,对河道主流的扰动进行实地查看,若发现受特大桥影响而使局部水流挑向岸边的情况时,应注意加强两岸的防护设施。

3 结语

依据水利行业有关管理要求,大桥施工前向水利主管部门上报相关信息,施工期应获得当地水利主管部门批准,施工后期应逐步拆除及清理施工场地。定期对特大桥桥桩以及两岸防洪工程冲刷进行监测,对河道主流的扰动进行实地查看,若发现受特大桥影响而使局部水流挑向岸边的情况时,应注意加强两岸的防护设施。同时加强近工程河段及桥梁工程的监测,若发现桥基、河道堤防结构等存在变形与破坏迹象,应及时分析变形机理并采取合理措施。施工期间,如遇洪水等特殊水文工况条件,应加密观测频率,及时分析研判桥梁工程施工对河道防洪的影响,确保河道防洪与施工安全。